Luận án TS Nguyễn Thị Lục - Tối ưu thông số cưa vòng đứng dây chuyền xẻ gỗ tự động

Nghiên cứu luận án tiến sĩ xác định các thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng thành

• Tác giả: Nguyễn Thị Lục
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Dương Văn Tài
• Trường học: Trường Đại học Lâm nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động

Cưa vòng đứng là thiết bị cốt lõi trong dây chuyền xẻ gỗ tự động. Thiết bị này đảm nhận vai trò chuyển đổi gỗ tròn thành phôi gỗ có kích thước yêu cầu. Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Lục (2021) tại Trường Đại học Lâm nghiệp đã nghiên cứu chuyên sâu về các thông số tối ưu của loại máy này. Cưa vòng đứng hoạt động dựa trên nguyên lý lưỡi cưa dạng băng liên tục chạy quanh hai bánh đà. Quá trình cắt diễn ra liên tục, giúp năng suất cao hơn so với cưa lọng truyền thống. Tốc độ cắt, lực căng lưỡi cưa và công suất động cơ là ba yếu tố quyết định chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu tổng quan cho thấy các công trình quốc tế đã tập trung vào động lực học bánh đà, rung động lưỡi cưa và hiệu suất cắt. Tại Việt Nam, việc tối ưu hóa cưa vòng đứng trong dây chuyền tự động còn ít được quan tâm. Luận án này nhằm lấp đầy khoảng trống nghiên cứu đó.

1.1. Vai trò của cưa vòng đứng trong ngành chế biến gỗ

Cưa vòng đứng đóng vai trò trung tâm trong dây chuyền xẻ gỗ tự động. Thiết bị này cho phép cắt các khúc gỗ lớn thành phôi có độ dày đồng đều. Năng suất của cưa vòng đứng cao hơn nhiều so với cưa tròn truyền thống. Trong dây chuyền tự động, cưa vòng đứng kết hợp với hệ thống cấp liệu, băng tải và thiết bị định hướng. Sự phối hợp này tạo ra quy trình sản xuất liên tục, giảm nhân công và tăng hiệu quả kinh tế. Chất lượng bề mặt cắt phụ thuộc trực tiếp vào thông số vận hành của máy.

1.2. Thực trạng nghiên cứu cưa vòng đứng trên thế giới và Việt Nam

Trên thế giới, các nghiên cứu về cưa vòng đứng đã phát triển từ những năm 1980. Các tác giả John Taylor (1986), James Jianlong Zhan (1990) và Rodrigo Echeverri (2003) tập trung vào động lực học và ứng suất trong lưỡi cưa. Tại Việt Nam, nghiên cứu còn hạn chế, chủ yếu dừng ở mức thiết kế cơ khí. Các công trình trong nước chưa đề cập đầy đủ đến tối ưu hóa thông số vận hành. Luận án của Nguyễn Thị Lục là một trong những công trình đầu tiên tại Việt Nam nghiên cứu toàn diện vấn đề này.

II. Phân tích các vấn đề về rung động và động lực học lưỡi cưa vòng đứng

Rung động uốn ngang của lưỡi cưa vòng đứng là vấn đề kỹ thuật then chốt cần giải quyết. Khi biên độ rung tăng lên đáng kể, hiện tượng cộng hưởng xảy ra gây nguy hiểm cho thiết bị. Độ bền của lưỡi cưa giảm rõ rệt khi rung động vượt ngưỡng cho phép. Chất lượng bề mặt gỗ xẻ cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Phương trình vi phân chuyển động ngang được xây dựng bằng phương pháp Bubnov-Galerkin. Kết quả phân tích cho thấy sức căng ban đầu có mối quan hệ tỷ lệ nghịch với biên độ rung ngang. Lưỡi cưa có sức căng lớn hơn sẽ ít rung hơn. Nhiệt độ sinh ra trong quá trình cắt cũng gây giãn nở lưỡi cưa, làm thay đổi lực căng. Sự dịch chuyển bánh đà trên trong quá trình cắt là nguyên nhân chính gây mất ổn định. Các yếu tố này cần được kiểm soát đồng thời để đảm bảo vận hành ổn định.

2.1. Mô hình động lực học của lưỡi cưa vòng đứng

2.2. Ảnh hưởng của sức căng ban đầu đến chất lượng cắt

Sức căng ban đầu S01 là tham số quyết định sự ổn định của lưỡi cưa vòng đứng. Khi sức căng không đủ, lưỡi cưa bị trượt trên bánh đà dẫn đến mất kiểm soát. Điều kiện để lưỡi cưa không trượt được xác định qua phương trình cân bằng lực. Theo nghiên cứu, để xẻ gỗ Lim với lực cắt Pc = 3660,8 N, sức căng ban đầu phải lớn hơn 21,89 N. Giá trị này còn phụ thuộc vào hệ số ma sát μ và bán kính bánh đà R3. Sức căng quá lớn lại gây mỏi lưỡi cưa, rút ngắn tuổi thọ thiết bị.

III. Phương pháp xác định thông số tối ưu của cưa vòng đứng

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm để xác định thông số tối ưu. Phương pháp Bubnov-Galerkin được áp dụng để giải phương trình vi phân dao động ngang. Thí nghiệm được tiến hành trên cưa vòng đứng với nhiều mức thông số khác nhau. Các yếu tố tối ưu hóa gồm tốc độ cắt, lực căng ban đầu và công suất động cơ. Mô hình tính toán công suất động cơ có xét đến mô men ma sát trên ổ trục và mô men cản của lực cắt. Công thức tính toán đã được kiểm chứng qua thực nghiệm với nhiều loại gỗ khác nhau. Kết quả cho thấy tồn tại miền giá trị tối ưu cho từng loại gỗ cụ thể. Phương pháp Taguchi được sử dụng để thiết kế thí nghiệm và phân tích kết quả. Tối ưu đa mục tiêu giúp cân bằng giữa năng suất, chất lượng bề mặt và tuổi thọ lưỡi cưa.

3.1. Xây dựng mô hình tính toán công suất và lực cắt

Mô hình tính toán công suất động cơ dựa trên tổng mô men ma sát và mô men cản cắt. Biểu thức tính mô men M2 bao gồm thành phần MT2 từ ma sát ổ trục và Mc từ lực cắt. Các tham số đầu vào gồm hệ số ma sát f* = 0,04, đường kính trục d23 = 0,06 m, hệ số ma sát lưỡi cưa μ = 0,3 và bán kính bánh đà R3 = 0,6 m. Công suất động cơ được xác định cho từng loại gỗ với lực cắt khác nhau. Ví dụ, gỗ Lim có lực cắt Pc = 3660,8 N đòi hỏi công suất lớn hơn gỗ thông.

3.2. Thiết kế thí nghiệm và phương pháp tối ưu Taguchi

Phương pháp Taguchi được áp dụng để tối ưu hóa đồng thời nhiều yếu tố. Thiết kế thí nghiệm Orthogonal Array giúp giảm số phép thử mà vẫn đảm bảo độ tin cậy. Các yếu tố đầu vào gồm tốc độ cắt, lực căng lưỡi cưa, tốc độ tiến liệu và loại gỗ. Hàm mục tiêu là tối đa hóa chất lượng bề mặt cắt đồng thời tối thiểu hóa rung động. Phân tích ANOVA xác định mức độ ảnh hưởng của từng yếu tố. Kết quả Taguchi cho thấy tốc độ cắt và lực căng là hai yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu tối ưu cưa vòng đứng

Luận án đã xác định được các thông số tối ưu cho cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và vận hành máy cưa hiệu quả. Các thông số tối ưu bao gồm sức căng ban đầu, tốc độ cắt và công suất động cơ phù hợp với từng loại gỗ. Mô hình tính toán đã được kiểm chứng qua thực nghiệm với sai số chấp nhận được. Phương pháp tối ưu Taguchi cho phép xác định tổ hợp thông số tốt nhất với số thí nghiệm tối thiểu. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu giúp giảm tiêu hao năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm. Các nhà máy chế biến gỗ có thể áp dụng kết quả này để cải thiện hiệu suất dây chuyền sản xuất. Nghiên cứu cũng mở ra hướng phát triển tiếp theo về điều khiển tự động thông số cưa vòng.

4.1. Các kết quả chính đạt được của luận án

Luận án đã hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu đề ra. Mô hình động lực học lưỡi cưa vòng đứng được xây dựng và kiểm chứng. Các phương trình vi phân mô tả dao động ngang được giải bằng phương pháp Bubnov-Galerkin. Thông số tối ưu cho ba loại gỗ phổ biến tại Việt Nam đã được xác định. Sức căng ban đầu tối ưu nằm trong khoảng 22-35 N tùy loại gỗ. Tốc độ cắt tối ưu từ 30-50 m/s cho gỗ cứng và gỗ mềm. Công suất động cơ được tính toán chính xác cho từng trường hợp.

4.2. Ý nghĩa và hướng phát triển tiếp theo

Kết quả luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn. Về mặt khoa học, nghiên cứu bổ sung kiến thức mới về động lực học cưa vòng đứng tại Việt Nam. Về mặt thực tiễn, các thông số tối ưu giúp nhà máy tiết kiệm chi phí sản xuất. Hướng phát triển tiếp theo bao gồm xây dựng hệ thống điều khiển tự động lực căng lưỡi cưa. Nghiên cứu cũng cần mở rộng cho các loại gỗ nhiệt đới khác. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào dự đoán thông số tối ưu là hướng đi tiềm năng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP NGUYỄN THỊ LỤC NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA CƯA VÒNG ĐỨNG TRONG DÂY CHUYỀN XẺ GỖ TỰ ĐỘNG Ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số: 9.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. DƯƠNG VĂN TÀI Hà Nội, 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận án Tiến sĩ kỹ thuật mang tên “Nghiên cứu xác định một số thông số tối ưu của cưa vòng đứng trong dây chuyền xẻ gỗ tự động”, là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong Luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác dưới mọi hình thức. Tôi xin chịu trách nhiệm trước Hội đồng Bảo vệ Luận án Tiến sĩ về lời cam đoan của mình. Hà Nội, ngày….tháng……năm 2021 Hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS. Dương Văn Tài Nguyễn Thị Lục ii LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các cơ quan đã nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành bản luận án khoa học này. Trước hết xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Dương Văn Tài với những ý kiến đóng góp quan trọng và chỉ dẫn khoa học quý giá trong quá trình thực hiện công trình nghiên cứu. Trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Lâm nghiệp, Phòng Đào tạo Sau đại học đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án. Trân trọng cảm ơn Khoa Cơ điện và Công trình, Bộ môn Công nghệ và máy chuyên dùng Trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu. Trân trọng cảm ơn các nhà khoa học của Trường Đại học Lâm nghiệp, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Học viện Kỹ thuật quân sự đã đóng góp ý kiếm quý báu để tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày….tháng……năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Thị Lục iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .ii MỤC LỤC . iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .vii DANH MỤC CÁC BẢNG .xii DANH MỤC CÁC HÌNH . xiii MỞ ĐẦU . 1 Chương 1:TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU . Tổng quan về cưa vòng xẻ gỗ ở trên thế giới . Tổng quan về cưa vòng xẻ gỗ ở Việt Nam . Tổng quan các công trình nghiên cứu về rung động của lưỡi cưa vòng đứng xẻ gỗ trên thế giới . Tổng quan các công trình nghiên cứu tối ưu các thông số cưa vòng đứng . Các công trình nghiên cứu tối ưu về cưa vòng đứng xẻ gỗ trên thế giới . Các công trình nghiên cứu tối ưu trong công nghệ chế biến gỗ ở Việt Nam . Mục tiêu nghiên cứu . Đối tượng nghiên cứu . Thiết bị nghiên cứu. Nguyên liệu đưa vào xẻ . Pha ̣m vi nghiên cứu . Nội dung nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu . 26 Kết luận chương 1 . 27 Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH, KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC VÀ RUNG ĐỘNG CỦA LƯỠI CƯA VÒNG ĐỨNG . Các thông số của cưa vòng đứng .Thông số hình học . Các thông số động học . Các thông số động lực học . Mô hình động lực học của cưa vòng đứng . Quan hệ động học. Xác định sức căng ban đầu của lưỡi cưa . Xác định công suất động cơ của cưa vòng đứng Ɲđc. Lập phương trình vi phân chuyển động . Xác định các tham số đầu vào khi giải phương trình vi phân . Khảo sát thông số động lực học trong quá trình xẻ . Nội dung khảo sát . Kết quả khảo sát phương trình động lực học .3 Chuyển đồ thị nghiệm của phương trình vi phân về dạng bậc . Xác định tải trọng động trong giai đoạn chuyển tiếp của cưa vòng đứng . Xác định lực và mômen cắt Mcắt trong giai đoạn chuyển tiếp . Khảo sát thông số động lực học trong giai đoạn chuyển tiếp. Kết quả khảo sát quá trình chuyển tiếp của cưa vòng đứng . Khảo sát ảnh hưởng của mô men quán tính bánh đà đến hệ số không đồng đều vận tốc góc ψ và hệ số động lực học kđ . Ảnh hưởng của mô men quán tính đến hệ số không đồng đều vận tốc góc ψ . Ảnh hưởng của mô men quán tính đến hệ số động lực học kđ . Ảnh hưởng của mô men quán tính bánh đà đến khả năng cắt . Ảnh hưởng của mômen quán tính bánh đà đến chi phí năng lượng . Ảnh hưởng của sức căng ban đầu của lưỡi cưa S0 đến tiêu hao công cắt . Rung động của lưỡi cưa theo phương ngang . Lực kích động gây rung ngang của lưỡi cưa. Mô hình rung động theo phương ngang của lưỡi cưa vòng đứng . Thiết lập phương trình rung động của lưỡi cưa vòng trong quá trình xẻ . Khảo sát và kiểm tra ổn định rung ngang của lưỡi cưa vòng . Ảnh hưởng độ rung ngang của lưỡi cưa đến chất lượng sản phẩm xẻ . 74 Kết luận chương 2 . 75 Chương 3: XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ CỦA CƯA VÒNG ĐỨNG . Lập mô hình bài toán tối ưu cho cưa vòng đứng . Lựa chọn chỉ tiêu tối ưu . Lựa chọn tham số điều khiển và miền xác định . Lập hàm tương quan giữa các chỉ tiêu và tham số ảnh hưởng . Thực nghiệm thăm dò . Thực nghiệm đơn yếu tố . Thực nghiệm đa yếu tố . Lập kế hoạch thực nghiệm đa yếu tố theo các đại lượng không thứ nguyên . Khảo sát cực trị các hàm tương quan. Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu . 97 Kết luận chương 3 . 98 Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM . Mục tiêu và nội dung nghiên cứu thực nghiệm. Mục tiêu nghiên cứu . Nội dung nghiên cứu . Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm . Phương pháp và thiết bị xác định các đại lượng nghiên cứu . Phương pháp xác định mô men quá tính của bánh đà và của các trục,. Phương pháp xác định vận tốc góc quay của trục chủ động (ω2 ), vận tốc cắt (v) và vận tốc đẩy (uc). Phương pháp và thiết bị xác định mô men cản cắt trên trục bánh đà chủ động Mc . Phương pháp và thiết bị xác định biên độ rung ngang của lưỡi cưa vòng đứng a(mm) . Phương pháp và thiết bị xác định độ mấp mô bề mặt ván xẻ Ra (mm) . Phương pháp và thiết bị xác định năng suất xẻ ПS (m2/s) . Phương pháp và thiết bị xác định chi phí năng lượng riêng Ar . Phương pháp xác định lực căng lưỡi cưa . Tổ chức và tiến hành thí nghiệm . Kết quả thực nghiệm kiểm chứng mô hình lý thuyết . Kiểm chứng mô hình động lực học . Kiểm chứng mô hình rung ngang của lưỡi cưa . Kết quả nghiên cứu thực nghiệm xác định các thông số tối ưu . Thực nghiệm thăm dò lập mô hình tương quan . Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố . Kết quả thực nghiệm đa yếu tố . Vận hành máy với các giá trị tối ưu của các thông số ảnh hưởng . 134 Kết luận chương 4 . 134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 137 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ . 138 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 139 PHỤ LỤC vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Nguyên nghĩa Đơn vị Ɲđc Công suất động cơ điện kW n Số vòng quay của động cơ điện Vòng/ phút Ɲc Công suất cắt gỗ kW Ɲxg Công suất đẩy xe goòng kW D1,R1 Đường kính, bán kính bánh đai nhỏ (bánh đai chủ động) m D2, R2 Đường kính, bán kính bánh đai lớn (bánh đai bị động) m D3, R3 Đường kính, bán kính bánh đà bị động và chủ động của cưa m d10, r10 Đường kính, bán kính ổ đỡ trục lắp bánh đai chủ động m d21,r21 Đường kính, bán kính ổ đỡ trục lắp bánh đai bị động m d22, r22 Đường kính , bán kính ổ đỡ trục lắp bánh đà cưa chủ động m d31, r31 Đường kính, bán kính ổ đỡ trục lắp bánh đà cưa bị động m m10 Khối lượng trục gắn bánh đai chủ động kg m11 Khối lượng bánh đai chủ động (puly đai) kg m21 Khối lượng trục gắn bánh đai bị động kg m22 Khối lượng bánh đai bị động của đai (puly đai) kg m23 Khối lượng trục gắn bánh đà chủ động (puly cưa) kg m31 Khối lượng của trục gắn bánh đà bị động kg m33 Khối lượng của bánh đà bị động của cưa (puly cưa) kg mxg Khối lượng của xe goòng và khúc gỗ xẻ kg γg Khối lượng riêng của gang đúc làm bánh đà g/cm3 B1 Bề rộng bánh đà của đai m B2 Bề rộng bánh đà của cưa m b Bề rộng lưỡi cưa m B Chiều rộng mạch xẻ mm s Bề dày lưỡi cưa mm viii Viết tắt Nguyên nghĩa Đơn vị ƭ Chiều dày vành bánh đà mm a1 Khoảng cách hai trục gắn bánh đà của đai m a2 Khoảng cách hai trục gắn bánh đà của cưa m Llc Chiều dài lưỡi cưa m Lđ Chiều dài dây đai m Lđr Chiều dài đường ray m A1 Tiết diện dây đai m2 A2 Tiết diện lưỡi cưa m2 E Khoảng cách theo chiều gang của ngàm di chuyển gỗ m E1 Mô đun đàn hồi của vật liệu làm dây đai kN/cm2 E2 Mô đun đàn hồi của thép làm lưỡi cưa kN/cm2 t Bước răng cưa mm hr Chiều cao của răng cưa mm λ Lượng bóp me mỗi bên của răng cưa mm γ Góc trước của răng cưa độ α Góc sau của răng cưa độ β Góc mài của răng cưa độ δ Góc cắt của răng cưa độ L1 Khoảng cách giữa lưỡi cưa và xe goòng m L2 Bề rộng đường ray m L3 Chiều cao của xe goòng với đường ray m L4 Khoảng cách giữa hai cơ cấu ổn định lưỡi cưa m L5 Khoảng cách theo chiều gang của ngàm di chuyển gỗ m L6 Khoảng cách lớn nhất theo chiều gang của ngàm di chuyển gỗ m I1 Mô men quán tính của trục I kg.m2 I2 Mô men quán tính của trục II kg.m2 I3 Mô men quán tính của trục III kg.m2 Ibđ Mô men quán tính bánh đà kg.